ГЛАВА 34. ГЕОМЕТРИЧЕСКАЯ ОПТИКА

В данном разделе решают задачи, в которых вместо физического понятия световой волны используют геометрическое понятие светового луча, т. е. линии, показывающей направление распространения света. Такой подход к решению определенного класса задач должен, однако, предполагать понимание учащимися действительной физической картины явлений и границ применимости «лучевой оптики». С этой целью и в данном разделе должны быть задачи, требующие применения изученных ранее сведений о волновых свойствах света. Типовыми являются задачи на следующие темы: прямолинейное распространение света в однородной среде; отражение света от плоских и сферических зеркал; преломление света; ход лучей в тонких линзах; ход лучей в оптических системах; устройство и действие оптических приборов.

1. Прямолинейное распространение света

С помощью задач по данной теме уточняют понятие о луче света и границах применения «лучевой оптики», а также формируют некоторые практические умения («провешивание» прямых линий, определение расстояний и т. д.).

845(э). Поставьте на пути яркого света, желательно на пути солнечных лучей, параллельно друг другу два ровных карандаша и, передвигая их, получайте на плоском экране пучки света разной ширины. Получите как можно более узкий пучок и проведите вдоль него линию. Какой вывод можно сделать о распространении пучков света на основе этого опыта?

846 а). Сдавливая пальцами сбоку карандаши (рис. 257, а), добейтесь того, чтобы пучок света стал менее ярким, но более широким. В чем причина такого изменения пучка света

Рис. 257.

б) Проделайте опыт, аналогичный предыдущему, но с двумя бритвенными лезвиями (рис. 273, б), поставив их так, чтобы щель имела форму очень острого клина. Почему пучок света от того места щели, которое расположено около острия клина, получается более широким и «размытым»? Ответ. При малых отверстиях начинают сказываться дифракционные явления. Свет проходит в область тени.

847(э), Между настольной лампой и экраном (стеной) помещайте различные предметы: книгу, руку и т. п. Получите на экране тени и полутени и объясните с помощью чертежей, как они образуются.

848. Как в солнечный день по тени определить высоту дерева, башни и т. п.?

Решение. Сначала определяют длину тени (рис. 258) от какого-либо шеста или рейки, высота которой известна. Затем измеряют длину тени дерева и из подобия треугольников и находят, что высота дерева

Используя масштабную линейку и закопченное стекло, оцените примерную величину диаметра Солнца , считая расстояние до него равным 150 млн. км.

Рис. 258.

Решение. К закопченному стеклу прикладывают линейку и, держа его в руке, смотрят через стекло на Солнце, как показано на рисунке 259, а. По линейке измеряют видимый диаметр Солнца в миллиметрах (рис. 259, б).

Диаметр солнца где расстояние от глаза до закопченного стекла.

В одном из опытов были получены следующие данные: . Диаметр Солнца примерно в 100 раз меньше радиуса земной орбиты.

Аналогично можно определить диаметр Луны или по известному размеру далекого предмета — расстояние до него.

850(э). В листе картона или плотной бумаги проделайте несколько отверстий разного диаметра (5, 2, 1 и 0,1 мм) и получите с их помощью на экране изображение волоска лампочки или пламени свёчи. Постройте ход лучей и объясните, как получаются изображения. В чем отличие этих изображений?

851(a). Изменится ли качество изображения, если вместо круглых отверстий взять примерно такого же размера отверстия треугольные или квадратные? Ответ проверьте на опыте.

Ответ. Каждая светящаяся точка предмета дает на экране светлое пятно, форма которого соответствует форме отверстия. Совокупность таких пятнышек дает независимо от их формы перевернутое изображение предмета.

852. На рисунке 260 показана схема «дырочной камеры» и вид изображения «стрелки» при размерах отверстия: а) (Лидб., т. III, стр. 198). Как объяснить различия изображений? Не противоречат ли эти данные опыту, описанному в задачах 850 и 851?

Рис. 259.

Рис. 260.

Ответ. Характер изображений а, б, в и г подтверждает результаты, полученные в задачах 850-851. С уменьшением до известного предела размера отверстия четкость изображения увеличивается. Светлые пятна больших размеров грубо очерчивают контуры и детали светящегося предмета, а малых размеров более точно. Но при очень малом отверстии, соизмеримом с длиной световой волны, резкость изображения уменьшается из-за дифракции света.

853. Почему «солнечные зайчики» на тенистой дорожке парка имеют круглую форму?

Ответ. «Зайчики» являются изображением Солнца, которое получается при прохождении его лучей в просветы между листьями деревьев. В связи с этим интересно сообщить учащимся, что во время солнечного затмения, когда видна только часть Солнца, «зайчики» имеют форму серпа. «Зайчики» от Луны также могут иметь форму серпа или полумесяца.